(57)【要約】【課題】反応ガスの加湿状態を良好に制御するとともに、簡単且つコンパクトな構成で、結露水の発生を可及的に阻止することを可能にする。【解決手段】水透過性膜５０を挟持する第１及び第２セパレータ５２、５４は、矢印Ｂ方向一端に空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを設けるとともに、矢印Ｂ方向他端にオフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを設ける。空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとの間にバイパス流路８８ａが設けられ、バルブ構造９０ａの作用下に、このバイパス流路８８ａをバイパスする空気の流量が調整される。【選択図】図４
2006012617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための反応ガス用加湿装置であって、
水透過性膜の一方の面に配設され、前記一方の面に反応ガスを流通させる反応ガス流路を設ける第１セパレータと、
前記水透過性膜の他方の面に配設され、前記他方の面に加湿流体を流通させる加湿流体流路を設ける第２セパレータと、
を備え、
前記第１及び第２セパレータには、前記反応ガス流路に連通する反応ガス入口及び反応ガス出口と、
前記加湿流体流路に連通する加湿流体入口及び加湿流体出口と、
が設けられるとともに、
少なくとも前記反応ガス入口と前記反応ガス出口との間、又は前記加湿流体入口と前記加湿流体出口との間には、開閉自在なバイパス流路が設けられることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
【請求項２】
請求項１記載の反応ガス用加湿装置において、前記バイパス流路には、前記反応ガス流路又は前記加湿流体流路からバイパスされる流量を調整するためのバルブ構造が設けられることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
【請求項３】
請求項２記載の反応ガス用加湿装置において、前記バルブ構造は、前記バイパス流路に配設されるバルブ部材と、
前記バルブ部材を駆動させるアクチュエータと、
を備えることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の反応ガス用加湿装置において、前記水透過性膜を介装して前記第１セパレータと前記第２セパレータとが交互に積層されてスタックを構成するとともに、
前記スタックには、前記バイパス流路が積層方向に貫通することを特徴とする反応ガス用加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水透過性膜の一方の面に被加湿用の反応ガスを導入するとともに、前記水透過性膜の他方の面に加湿流体を導入して前記反応ガスを加湿する反応ガス用加湿装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
この場合、上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを、予め水により加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給するものが知られている。
【０００５】
例えば、特許文献１では、図１７に示すように、燃料電池積層体１のアノード電極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給器２を備えている。この燃料ガス供給器２から供給される乾燥した燃料ガスを加湿する加湿器３は、燃料ガス供給器２及び燃料電池積層体１に管路４ａ、４ｂを介して接続されている。
【０００６】
管路４ａの途上には、切替弁５が配設されており、この切替弁５は、加湿器３を迂回する管路（バイパス流路）４ｃを介して燃料電池積層体１に接続されている。切替弁５が、制御装置６を介して制御されることにより、アノード電極に供給される燃料ガスは、加湿器３を通流する管路４ａ、４ｂに所定の時間だけ供給された後、該加湿器３を迂回する管路４ｃに所定の時間だけ流通して供給するサイクルが周期的に繰返されている。
【０００７】
これにより、燃料電池積層体１のセパレータ（図示せず）のガス流路に水分が結露して滞留しても、乾燥燃料ガスにより前記水分が効果的に除去されるため、ガス流路の液滴による閉塞が回避される、としている。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−６４５６９号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献１では、燃料ガス供給器２と加湿器３との間に切替弁５が配設されるとともに、この切替弁５は、管路４ａを介して前記加湿器３に接続される一方、管路４ｃを介して燃料電池積層体１に接続されている。このため、燃料電池全体をコンパクト化することが困難になるとともに、複数の管路４ａ〜４ｃが配設されて構成が相当に複雑である。
【００１０】
さらに、切替弁５は、管路４ａを介して加湿器３に接続されており、この切替弁５の応答性が低下し易い。しかも、複数の管路４ａ〜４ｃ内に結露水が発生し易く、燃料電池積層体１に必要以上の水分が供給されるとともに、前記管路４ａ〜４ｃ内の閉塞が発生するという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガスの加湿状態を良好に制御するとともに、簡単且つコンパクトな構成で、結露水の発生を可及的に阻止することが可能な反応ガス用加湿装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための反応ガス用加湿装置である。この反応ガス用加湿装置は、水透過性膜の一方の面に配設され、前記一方の面に反応ガスを流通させる反応ガス流路を設ける第１セパレータと、前記水透過性膜の他方の面に配設され、前記他方の面に加湿流体を流通させる加湿流体流路を設ける第２セパレータとを備えている。
【００１３】
そして、第１及び第２セパレータには、反応ガス流路に連通する反応ガス入口及び反応ガス出口と、加湿流体流路に連通する加湿流体入口及び加湿流体出口とが設けられるとともに、少なくとも前記反応ガス入口と前記反応ガス出口との間、又は前記加湿流体入口と前記加湿流体出口との間には、開閉自在なバイパス流路が設けられている。
【００１４】
また、バイパス流路には、反応ガス流路又は加湿流体流路からバイパスされる流量を調整するためのバルブ構造が設けられることが好ましい。さらに、バルブ構造は、バイパス流路に配設されるバルブ部材と、前記バルブ部材を駆動させるアクチュエータとを備えることが好ましい。
【００１５】
さらにまた、水透過性膜を介装して第１セパレータと第２セパレータとが交互に積層されてスタックを構成するとともに、前記スタックには、バイパス流路が積層方向に貫通することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、第１及び第２セパレータ自体にバイパス流路が設けられており、加湿装置の外部に切り替えバルブを設ける必要がない。これにより、切り替えバルブと加湿装置とを連結するための配管が不要になって、前記配管内の結露水の発生等を阻止するとともに、加湿装置全体の小型化が容易に図られる。
【００１７】
さらに、バイパス流路を流れる反応ガスや加湿流体の流量を調整することにより、燃料電池に供給される水蒸気量（加湿量）を制御することができる。このため、燃料電池には、運転状況に応じて最適量の水蒸気が供給され、電解質膜の乾燥や過剰な水分の発生を良好に阻止することが可能になる。これにより、効率的な発電が確実に遂行される。
【００１８】
しかも、反応ガス流路や加湿流体流路を流れる流量を調整することができる。従って、例えば、燃料電池の低温始動時に、前記反応ガス流路や前記加湿流体流路をバイパスさせることにより、圧損の低減を図るとともに、前記燃料電池の暖機時間を有効に短縮させることが可能になる。
【００１９】
さらにまた、バイパス流路の流量を制御することにより、燃料電池に供給される反応ガス流量が増減される。このため、燃料電池内で燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差が大きくなった際にも、該圧力差を容易に減少させることができ、電解質膜に過剰な応力が作用することを阻止することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る加湿装置１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成説明図である。
【００２１】
燃料電池システム１２は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池スタック１４を備える。この燃料電池スタック１４は、複数の発電セル１６を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１８ａ、１８ｂが配置されており、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂが図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。
【００２２】
発電セル１６は、例えば、固体高分子電解質膜２０ａの両側にアノード側電極２０ｂとカソード側電極２０ｃとを配置した電解質膜・電極構造体２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する一対のセパレータ２２、２４とを備える。アノード側電極２０ｂには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード側電極２０ｃには、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給される。
【００２３】
エンドプレート１８ａには、発電セル１６に水素ガスを供給するための水素供給口２６ａと、前記発電セル１６から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池スタック１４から排出するための水素排出口２６ｂとが設けられる。エンドプレート１８ｂには、発電セル１６に空気を供給するための空気供給口２８ａと、前記発電セル１６から排出される空気（以下、オフガスともいう）を燃料電池スタック１４から排出するための空気排出口２８ｂとが設けられる。
【００２４】
燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１４に水素ガスを供給する水素供給流路３０と、前記燃料電池スタック１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記水素供給流路３０の途上に戻して該燃料電池スタック１４に供給するための水素循環流路３２とを備える。
【００２５】
水素供給流路３０には、高圧水素を貯留する水素タンク３４と、前記水素タンク３４から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ３６と、減圧された前記水素ガスを燃料電池スタック１４に供給するとともに、水素循環流路３２から排ガスを吸引して前記燃料電池スタック１４に戻すためのエゼクタ３８とが配設される。
【００２６】
燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１４に空気を供給する空気供給流路４０と、前記燃料電池スタック１４から排出されるオフガスを、外部に排気するための空気排出流路４２とを備える。空気供給流路４０には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（又はポンプ）４４が設けられる。
【００２７】
燃料電池スタック１４には、エンドプレート１８ｂに連結されて加湿装置１０が装着される。図２及び図３に示すように、加湿装置１０は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに配設される第１セパレータ５２と、前記水透過性膜５０の他方の面５０ｂに配設される第２セパレータ５４とを備える。第１及び第２セパレータ５２、５４は、水透過性膜５０を介装して交互に矢印Ａ方向に積層されて積層体（スタック）５６を構成する。
【００２８】
積層体５６の矢印Ａ方向両端には、エンドプレート５７ａ、５７ｂが配置され、前記エンドプレート５７ａ、５７ｂ間は、複数の締め付けロッド５９を介して締め付け保持される。第１及び第２セパレータ５２、５４は、例えば、カーボンプレートに削り加工等を施して構成される。なお、この第１及び第２セパレータ５２、５４は、金属製プレートを波形状に成形して構成してもよい。
【００２９】
図４に示すように、積層体５６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、互いに矢印Ａ方向に貫通して、反応前の空気（一方の反応ガス）を供給する空気供給連通孔（反応ガス入口）５８ａと、加湿された反応前の空気を排出する空気排出連通孔（反応ガス出口）５８ｂとが上下（矢印Ｃ方向）に設けられる。
【００３０】
積層体５６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、オフガスが供給されるオフガス供給連通孔（加湿流体入口）６０ａと、反応前の空気を加湿した後のオフガスを排出するオフガス排出連通孔（加湿流体出口）６０ｂとが上下方向に配列されて設けられる。
【００３１】
図１に示すように、空気供給連通孔５８ａは、空気供給流路４０に連通し、空気排出連通孔５８ｂは、燃料電池スタック１４の空気供給口２８ａに連通し、オフガス供給連通孔６０ａは、前記燃料電池スタック１４の空気排出口２８ｂに連通し、オフガス排出連通孔６０ｂは、空気排出流路４２に連通する。
【００３２】
図４に示すように、第１セパレータ５２は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに向かう第１面５２ａ側に、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、略Ｕ字状に屈曲乃至湾曲する第１流路（反応ガス流路）６２を設ける。この第１流路６２は、第１面５２ａに設けられた複数の溝部６２ａにより構成される。
【００３３】
図４及び図５に示すように、第１セパレータ５２の第１面５２ａとは反対の第２面５２ｂ側には、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、略Ｕ字状の第２流路（反応ガス流路）６４が設けられる。この第２流路６４は、第２面５２ｂに設けられた複数の溝部６４ａにより構成されており、この溝部６４ａは、第１流路６２を構成する各溝部６２ａと交互に又は対向して形成される（図３参照）。
【００３４】
図４及び図６に示すように、第２セパレータ５４は、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに向かう第３面５４ａ側にオフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通する略Ｕ字状の第３流路（加湿流体流路）８０を設ける。第３流路８０は、第３面５４ａに設けられた複数の溝部８０ａにより構成される。
【００３５】
第２セパレータ５４は、第３面５４ａとは反対の第４面５４ｂ側に、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通する略Ｕ字状の第４流路（加湿流体流路）８２を設ける。この第４流路８２は、複数の溝部８２ａを有し、各溝部８２ａは、溝部８０ａと交互に又は対向して配設される（図３参照）。
【００３６】
第１セパレータ５２には、図４に示すように、外周縁部を覆ってシール８４が一体成形される。このシール８４は、第１及び第２面５２ａ、５２ｂで、空気供給連通孔５８ａ及び空気排出連通孔５８ｂを第１流路６２と第２流路６４とに連通するとともに、前記第１及び第２流路６２、６４をオフガス供給連通孔６０ａ及びオフガス排出連通孔６０ｂからシールする。
【００３７】
第２セパレータ５４には、その外周縁部を覆ってシール８６が一体成形される。このシール８６は、第３及び第４面５４ａ、５４ｂにおいて、それぞれオフガス供給連通孔６０ａ及びオフガス排出連通孔６０ｂを第３流路８０及び第４流路８２に連通する一方、前記第３及び第４流路８０、８２を空気供給連通孔５８ａ及び空気排出連通孔５８ｂからシールする。
【００３８】
図４〜図６に示すように、積層体５６には、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとの間に、積層方向に貫通してバイパス流路８８ａが設けられるとともに、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとの間に、積層方向に貫通してバイパス流路８８ｂが設けられる。
【００３９】
バイパス流路８８ａは、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを仕切る壁部を円弧状に切り欠いて構成される一方、バイパス流路８８ｂは、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを仕切る壁部を略円弧状に切り欠いて構成される。
【００４０】
図７に示すように、積層体５６には、バイパス流路８８ａ、８８ｂにバイパスされる空気流量及びオフガス流量を調整するためのバルブ構造９０ａ、９０ｂが配設される。バルブ構造９０ａは、バイパス流路８８ａに配設されて矢印Ａ方向に延在する棒状のバルブ部材９２ａを備える。このバルブ部材９２ａは、エンドプレート５７ａ、５７ｂに両端が回転自在に支持されるとともに、前記エンドプレート５７ｂには、前記バルブ部材９２ａの一端部が軸着されて該バルブ部材９２ａを回転駆動するモータ（アクチュエータ）９４ａが装着される（図２参照）。
【００４１】
バルブ部材９２ａには、矢印Ａ方向に延在する開口部９６ａが直径方向に貫通形成されており、この開口部９６ａは、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通及び遮断してバイパス流路８８ａの開閉を行う。バルブ構造９０ｂは、上記のバルブ構造９０ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照数字に符号ｂを付して、その詳細な説明は省略する。
【００４２】
このように構成される燃料電池システム１２の動作について、加湿装置１０との関連で以下に説明する。
【００４３】
図１に示すように、水素タンク３４から水素供給流路３０に供給される水素ガスは、レギュレータ３６を介して所定の圧力に減圧され、エゼクタ３８を通って燃料電池スタック１４の水素供給口２６ａに供給される。水素供給口２６ａに供給された水素ガスは、各発電セル１６を構成するアノード側電極２０ｂに沿って移動した後、未使用の水素を含む排ガスが、水素排出口２６ｂから水素循環流路３２に排出される。この排ガスは、エゼクタ３８の吸引作用下に、水素供給流路３０の途上に戻された後、再度、燃料電池スタック１４内に燃料ガスとして供給される。
【００４４】
一方、スーパーチャージャ４４を介して空気供給流路４０に空気が供給される。この空気は、加湿装置１０を構成するエンドプレート５７ｂから積層体５６の空気供給連通孔５８ａに供給される。
【００４５】
図４及び図５に示すように、第１セパレータ５２では、空気供給連通孔５８ａに第１流路６２及び第２流路６４の入口端部が開放されている。このため、空気供給連通孔５８ａに供給された空気は、第１流路６２を構成する各溝部６２ａと第２流路６４を構成する各溝部６４ａとに導入される。従って、反応前の空気は、Ｕ字状の第１流路６２及び第２流路６４に沿って移動し、前記第１流路６２を流れる空気は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに接触するとともに、第２流路６４に沿って移動する空気は、他の水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触する（図３参照）。
【００４６】
加湿装置１０では、燃料電池スタック１４の発電に使用された反応済みの空気であるオフガスが、オフガス供給連通孔６０ａに供給される。このオフガスは、第２セパレータ５４のオフガス供給連通孔６０ａに連通する第３流路８０及び第４流路８２に導入される。
【００４７】
これにより、図３、図４及び図６に示すように、第３流路８０を移動するオフガスは、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触する一方、第４流路８２に沿って移動するオフガスは、また別の水透過性膜５０の一方の面５０ａに接触する。
【００４８】
従って、第２セパレータ５４の第３流路８０に沿って移動するオフガス中の水分は、水透過性膜５０を透過し第１流路６２に沿って移動する反応前の空気に供給され、この空気が加湿される。さらに、第２流路６４に沿って移動する反応前の空気は、第４流路８２に沿って移動するオフガスにより加湿される。そして、加湿された空気は、空気排出連通孔５８ｂから燃料電池スタック１４の空気供給口２８ａに供給される。
【００４９】
この加湿された空気は、図１に示すように、各発電セル１６のカソード側電極２０ｃに供給され、未使用の空気を含むオフガスが、上記のように空気排出口２８ｂから加湿装置１０に排出される。これにより、各発電セル１６では、アノード側電極２０ｂに供給される水素と、カソード側電極２０ｃに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。
【００５０】
この場合、第１の実施形態では、図７に示すように、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとの間にバイパス流路８８ａが設けられ、このバイパス流路８８ａには、バルブ構造９０ａが配設されている。同様に、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとの間にバイパス流路８８ｂが設けられるとともに、このバイパス流路８８ｂには、バルブ構造９０ｂが配設されている。
【００５１】
そこで、燃料電池スタック１４を低温始動する際には、バルブ構造９０ａ、９０ｂを構成するモータ９４ａ、９４ｂが駆動されて、バルブ部材９２ａ、９２ｂが所定の角度位置に配置される。このため、図８に概略的に示すように、バルブ部材９２ａ、９２ｂの開口部９６ａ、９６ｂは、それぞれ空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂ及びオフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通する位置に配置される。
【００５２】
従って、スーパーチャージャ４４を介して比較的高温となっている空気は、加湿装置１０の空気供給連通孔５８ａに供給されると、開口部９６ａにより開放されているバイパス流路８８ａを通って空気排出連通孔５８ｂに、直接、移動した後、燃料電池スタック１４に供給される。すなわち、燃料電池スタック１４に供給される反応前の空気は、第１流路６２及び第２流路６４に供給されることがなく、比較的高温を維持して前記燃料電池スタック１４に導入されている。これにより、燃料電池スタック１４の暖機が迅速且つ確実に遂行されるという効果が得られる。
【００５３】
しかも、加湿装置１０に供給される反応前の空気は、第１流路６２及び第２流路６４を通ることがなく、バイパス流路８８ａを通過するため、この反応前の空気の圧損が小さくなる。
【００５４】
同様に、燃料電池スタック１４から排出されるオフガスは、オフガス供給連通孔６０ａに供給された後、開口部９６ｂによって開放されているバイパス流路８８ｂを介し、オフガス排出連通孔６０ｂに、直接、排出されている。従って、加湿装置１０に供給されるオフガスは、第３流路８０及び第４流路８２をバイパスし、圧損の低減を図ることが可能になる。これにより、スーパーチャージャ４４の負荷が有効に低減される。
【００５５】
さらにまた、第１の実施形態では、バルブ構造９０ａ、９０ｂを制御することにより、燃料電池スタック１４の運転状況に応じて最適量の水蒸気を供給することができる。例えば、図９に示すように、バルブ部材９２ａ、９２ｂの回転位置が調整されることにより、反応前の空気の一部及びオフガスの一部は、バイパス流路８８ａ、８８ｂを通過する。
【００５６】
このため、加湿処理される反応前の空気及びオフガスの流量が減少し、燃料電池スタック１４に供給される反応前の空気の相対湿度を低下させるとともに、圧損の低減による燃費の向上を図ることが可能になる。
【００５７】
また、定常運転時において、燃料電池スタック１４内の生成水の量が多いときには、オフガス供給連通孔６０ａからオフガス排出連通孔６０ｂへのオフガスのバイパス量を多く設定する一方、空気供給連通孔５８ａから空気排出連通孔５８ｂへの反応前の空気のバイパス量を減少させる。これにより、燃料電池スタック１４に供給される空気の相対湿度を下げることができ、前記燃料電池スタック１４内から排出される水量を減少させることが可能になる。
【００５８】
さらに、燃料電池スタック１４の負荷を増加させる際には、加湿装置１０による反応前の空気の加湿量を増加させる一方、前記燃料電池スタック１４の負荷を低減させる際には、前記反応前の空気の加湿量を減少させることができる。
【００５９】
さらにまた、バイパス流路８８ａを通る反応前の空気の流量を制御することにより、燃料電池スタック１４に供給される空気流量の増減を図ることが可能になる。従って、例えば、燃料電池スタック１４内で水素ガスと空気との圧力差が大きくなった際にも、この圧力差を容易に減少させることができる。このため、各発電セル１６を構成する固体高分子電解質膜２０ａに過剰な応力が作用することを阻止し、前記固体高分子電解質膜２０ａの破損等を良好に防止することが可能になる。
【００６０】
また、第１の実施形態では、第１及び第２セパレータ５２、５４自体にバイパス流路８８ａ、８８ｂが設けられており、このバイパス流路８８ａ、８８ｂを開閉するためにバルブ構造９０ａ、９０ｂが配置されている。従って、加湿装置１０の外部に切替バルブを設ける必要がなく、前記切替バルブと前記加湿装置１０との間に配管を設ける必要がない。これにより、配管内の結露の発生等を防止するとともに、加湿装置１０全体の小型が容易に図られるという効果が得られる。
【００６１】
なお、第１の実施形態では、一方の反応ガスである空気を加湿して燃料電池スタック１４に供給するように構成しているが、これに限定されるものではなく、他方の反応ガスである燃料ガスを加湿する構造を採用してもよい。また、加湿流体として燃料電池スタック１４から排出される空気であるオフガスを用いているが、これに限定されるものではなく、他の加湿ガス、例えば、専用の水蒸気ガスや純水又は液体等を用いてもよい。
【００６２】
さらに、第１の実施形態では、空気供給連通孔５８ａ及びオフガス供給連通孔６０ａを空気排出連通孔５８ｂ及びオフガス排出連通孔６０ｂの上方に配置しているが、これとは逆に、該空気排出連通孔５８ｂ及び該オフガス排出連通孔６０ｂの下方に配置してもよい。
【００６３】
さらにまた、加湿装置１０を用いることにより、一方のガスを他方のガスで除湿することができる。一方のガスは、他方のガスを加湿することによって、実際上、除湿されるからである。従って、加湿と除湿を制御することにより、ガスの調湿も可能になる。例えば、燃料ガスにおいて、水分が少ないときに加湿する一方、水分が多いときに除湿することができる。
【００６４】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る加湿装置１００の要部分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る加湿装置１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第５の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６５】
加湿装置１００は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに配設される第１セパレータ１０２と、前記水透過性膜５０の他方の面５０ｂに配設される第２セパレータ１０４とを備える。
【００６６】
第１セパレータ１０２は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに向かう第１面１０２ａ側に、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に２往復のサーペンタイン形状の第１流路１０６を設けるとともに、前記第１面１０２ａとは反対の第２面１０２ｂ側に、前記空気供給連通孔５８ａと前記空気排出連通孔５８ｂとを連通するサーペンタイン形状の第２流路１０８が設けられる。サーペンタイン形状に設定することにより、流路長を長くすることができ、加湿量の増加が図られる。
【００６７】
第１流路１０６を構成する複数の溝部１０６ａと、第２流路１０８を構成する複数の溝部１０８ａとは、交互に又は対向して設けられており、その両端が空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとに、直接、開放される。
【００６８】
第２セパレータ１０４は、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに向かう第３面１０４ａ側に、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に２往復のサーペンタイン形状の第３流路１１４を設けるとともに、前記第３面１０４ａとは反対の第４面１０４ｂ側には、前記オフガス供給連通孔６０ａと前記オフガス排出連通孔６０ｂとを連通するサーペンタイン形状の第４流路１１６が設けられる。第３流路１１４を構成する複数の溝部１１４ａと、第４流路１１６を構成する複数の溝部１１６ａとは、交互に又は対向して設けられる。
【００６９】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る加湿装置１３０の要部分解斜視説明である。
【００７０】
加湿装置１３０は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに配設される第１セパレータ１３２と、前記水透過性膜５０の他方の面５０ｂに配設される第２セパレータ１３４とを備える。加湿装置１３０では、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとが一方の対角位置に設けられるとともに、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとが他方の対角位置に設けられる。
【００７１】
第１セパレータ１３２の第１面１３２ａ側には、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の第１流路１３６が設けられるとともに、前記第１面１３２ａとは反対の第２面１３２ｂ側には、前記空気供給連通孔５８ａと前記空気排出連通孔５８ｂとを連通するサーペンタイン形状の第２流路１３８が設けられる。第１流路１３６を構成する複数の溝部１３６ａと、第２流路１３８を構成する複数の溝部１３８ａとは、交互又は対向して設けられる。
【００７２】
第２セパレータ１３４の第３面１３４ａ側には、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の第３流路１４４が設けられるとともに、前記第３面１３４ａとは反対の第４面１３４ｂ側には、前記オフガス供給連通孔６０ａと前記オフガス排出連通孔６０ｂとを連通するサーペンタイン形状の第４流路１４６が設けられる。第３流路１４４を構成する複数の溝部１４４ａと、第４流路１４６を構成する複数の溝部１４６ａとは、交互に又は対向して設けられる。
【００７３】
第１セパレータ１３２には、例えば、第１面１３２ａの外周縁部に空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとに連通するバイパス流路１４８が設けられる。第２セパレータには、例えば、第３面１３４ａの外周縁部にオフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通するバイパス流路１５０が設けられる。
【００７４】
第１及び第２セパレータ１３２、１３４には、バイパス流路１４８をバイパスされる反応前の空気の流量を調整するためのバルブ構造９０ａが配置される孔部１５２と、バイパス流路１５０をバイパスされるオフガスの流量を調整するためのバルブ構造９０ｂが配置される孔部１５４とが設けられる。
【００７５】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る加湿装置１６０の要部分解斜視説明図である。
【００７６】
加湿装置１６０は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに配設される第１セパレータ１６２と、前記水透過性膜５０の他方の面５０ｂに配設される第２セパレータ１６４とを備える。
【００７７】
第１セパレータ１６２は、第１面１６２ａと第２面１６２ｂとに、それぞれ矢印Ｂ方向に延在する直線状の第１流路１６６と第２流路１６８とを設ける。第１及び第２流路１６６、１６８は、空気供給連通孔５８ａ及び空気排出連通孔５８ｂに連通するそれぞれ複数の溝部１６６ａ、１６８ａを備え、前記溝部１６６ａ、１６８ａは、交互に又は対向して設けられる。
【００７８】
第２セパレータ１６４は、第３面１６４ａと第４面１６４ｂとに、第３流路１７０と第４流路１７２とがそれぞれ矢印Ｂ方向に延在して設けられる。第３及び第４流路１７０、１７２は、それぞれ複数の溝部１７０ａ、１７２ａを交互に又は対向して設けるとともに、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとに連通する。
【００７９】
第１セパレータ１６２には、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとに連通するバイパス流路１７４が設けられる一方、第２セパレータ１６４には、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとに連通するバイパス流路１７６が設けられる。バルブ構造９０ａは、孔部１７８に配置されてバイパス流路１７４をバイパスされる反応前の空気の流量を調整するとともに、バルブ構造９０ｂは、孔部１８０に配置され、バイパス流路１７６をバイパスされるオフガスの流量を調整する。
【００８０】
図１３は、本発明の第５の実施形態に係る加湿装置１９０の要部分解斜視説明図である。
【００８１】
加湿装置１９０は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに配設される第１セパレータ１９２と、前記水透過性膜５０の他方の面５０ｂに配設される第２セパレータ１９３とを備える。加湿装置１９０の矢印Ｂ方向一端縁部に、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとが設けられるとともに、該一端縁部の上下には、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとが設けられる。
【００８２】
第１セパレータ１９２は、第１面１９２ａ側及び第２面１９２ｂ側に、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとに連通してＵ字状に屈曲乃至湾曲する第１流路１９４及び第２流路１９６を設ける。第１流路１９４を構成する複数の溝部１９４ａは、第２流路１９６を構成する複数の溝部１９６ａと交互に又は対向して設けられる。
【００８３】
第２セパレータ１９３は、第３面１９３ａ側及び第４面１９３ｂ側に、第３流路１９８及び第４流路２００を設ける。第３流路１９８及び第４流路２００は、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとに連通して略Ｕ字状に構成されるとともに、各溝部１９８ａ、２００ａは、交互又は対向して設けられる。
【００８４】
第１セパレータ１９２には、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、第１及び第２流路１９４、１９６の外方を周回するバイパス流路２０２が設けられる。バルブ構造９０ａは、孔部２０４に配置され、バイパス流路２０２をバイパスされる反応前の空気の流量を調整する。
【００８５】
上記のように構成される第２〜第５の実施形態では、上記の第１の実施形態に係る加湿装置１０と同様の効果が得られる。
【００８６】
なお、第１〜第５の実施形態では、バルブ構造９０ａ、９０ｂを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、図１４に示すバルブ構造２１０は、アクチュエータであるモータ２１２に連結されるバルブ部材２１４を備える。バルブ部材２１４は、モータ２１２に軸着されるロッド部２１６と、このロッド部２１６に一体化される板状部２１８とを備え、この板状部２１８がバイパス流路２２０に配設される。
【００８７】
板状部２１８は、バイパス流路２２０を閉塞可能であるとともに、モータ２１２を介して所定の角度に配置されることによって、このバイパス流路２２０をバイパスされる流量が調整可能である。
【００８８】
図１５及び図１６に示すバルブ構造２３０は、アクチュエータ、例えば、モータ２３２に連結されて回転駆動されるバルブ部材２３４と、このバルブ部材２３４に外装されて図示しないアクチュエータを介して軸方向（矢印Ｂ方向）に進退可能な直動シャッタ２３６とを備える。バルブ部材２３４は、略円柱状を有しており、その外周面には、所定間隔ずつ離間して複数の開口部２３８が直径方向に貫通形成される。直動シャッタ２３６は、略円筒状を有しており、その外周部には、複数の開口部２４０が所定間隔ずつ離間して構成される。
【００８９】
このように構成されるバルブ構造２３０では、バルブ部材２３４に直動シャッタ２３６が外装された状態で、例えば、モータ２３２が駆動されて前記バルブ部材２３４が所定の角度に回転する。このため、バルブ部材２３４の開口部２３８が直動シャッタ２３６の開口部２４０に対して所定の角度姿勢に配置され、全体としての開口面積が調整されることにより、バイパスされる流量の調整が行われる。
【００９０】
一方、直動シャッタ２３６が軸方向に位置調整されることにより、それぞれの開口部２３８、２４０が互いに閉塞位置、一部閉塞位置乃至全開位置まで、種々調整され、バイパスされる流量の調整が行われる。
【００９１】
さらにまた、バルブ部材２３４の回転と直動シャッタ２３６の直動とを併せて行わせることによっても、同様にバイパスされる流量の調整が可能である。なお、バルブ部材２３４に代替して、バルブ部材９２ａやバルブ部材２１４を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る加湿装置を組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記加湿装置の概略斜視説明図である。
【図３】前記加湿装置の一部断面側面図である。
【図４】前記加湿装置の要部分解斜視説明図である。
【図５】前記第１セパレータの正面図である。
【図６】前記加湿装置を構成する第２セパレータの正面図である。
【図７】前記加湿装置を構成するバルブ構造の斜視説明図である。
【図８】前記バルブ構造によりバイパス流路が全開された状態の説明図である。
【図９】前記バルブ構造により前記バイパス流路が一部開放された状態の説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る加湿装置の要部分解斜視説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る加湿装置の要部分解斜視説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る加湿装置の要部分解斜視説明図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る加湿装置の要部分解斜視説明図である。
【図１４】他のバルブ構造の斜視説明図である。
【図１５】さらに別のバルブ構造の分解斜視説明図である。
【図１６】図１５のバルブ構造の断面説明図である。
【図１７】特許文献１の加湿器の一部断面図である。
【符号の説明】
【００９３】
１０、１００、１３０、１６０、１９０…加湿装置
１２…燃料電池システム            １４…燃料電池スタック
１６…発電セル                    ２０…電解質膜・電極構造体
２０ａ…固体高分子電解質膜        ２０ｂ…アノード側電極
２０ｃ…カソード側電極
２２、２４、５２、５４、１０２、１０４、１３２、１３４、１６２、１６４、１９２、１９３…セパレータ
４０…空気供給流路                ４２…空気排出流路
５０…水透過性膜                  ５６…積層体
５８ａ…空気供給連通孔            ５８ｂ…空気排出連通孔
６０ａ…オフガス供給連通孔        ６０ｂ…オフガス排出連通孔
６２、６４、８０、８２、１０６、１０８、１１４、１１６、１３６、１３８、１４４、１４６、１６６、１６８、１７０、１７２、１９４、１９６、１９８、２００…流路
６２ａ、６４ａ、８０ａ、８２ａ、１０６ａ、１０８ａ、１１４ａ、１１６ａ、１３６ａ、１３８ａ、１４４ａ、１４６ａ、１６６ａ、１６８ａ、１７０ａ、１７２ａ、１９４ａ、１９６ａ、１９８ａ、２００ａ…溝部
８８ａ、８８ｂ、１４８、１５０、１７４、１７６、２０２、２２０…バイパス流路
９０ａ、９０ｂ、２１０、２３０…バルブ構造
９２ａ、９２ｂ、２１４、２３４…バルブ部材
９４ａ、９４ｂ、２１２、２３２…モータ
９６ａ、２３８、２４０…開口部
２１６…ロッド部                  ２１８…板状部
２３６…直動シャッタ
【図１】
2006012617.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006012617.tif 000009
【図８】
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【図９】
2006012617.tif 000011
【図１０】
2006012617.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2006012617.tif 000014
【図１３】
2006012617.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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